畜禽養(yǎng)殖廢水處理工藝分析研究

裴廷權(quán)，程家貴，成曉陽(yáng)，廖碧慧，楊偉康

（深圳市華宇創(chuàng)鑫環(huán)境科技有限公司，廣東 深圳 518057）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和居民生活水平的提高，畜禽類消費(fèi)需求持續(xù)增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)的畜牧業(yè)正在逐步向著規(guī)?；?、集約化方向發(fā)展，但同時(shí)產(chǎn)生了大量的糞肥污染，給人居生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力。養(yǎng)殖污水中通常含有豐富的懸浮物、有機(jī)質(zhì)、硫和磷等，屬于常見(jiàn)的高濃度化學(xué)廢物，同時(shí)污水中還存在大量的細(xì)菌，如果沒(méi)有得到有效治理，將對(duì)人類健康構(gòu)成威脅；污水中氮和磷的過(guò)量污染也會(huì)導(dǎo)致天然水體發(fā)生退化、富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。本文依托前期建設(shè)的廢水處理示范基地，采用污染物處理達(dá)標(biāo)排放的工業(yè)化管理模型，系統(tǒng)分析了整個(gè)養(yǎng)殖廢水體系的穩(wěn)定性、管理效益以及經(jīng)濟(jì)效益，為規(guī)?；B(yǎng)殖廢水處理提供一些借鑒與技術(shù)支持。

1 畜禽養(yǎng)殖廢水污染現(xiàn)狀

畜禽業(yè)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著主要地位，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的蓬勃發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯。近年來(lái)，隨著國(guó)家加大環(huán)境保護(hù)力度以及人們環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，畜禽養(yǎng)殖污染治理工作得到重視，但由于受到多方面因素影響，目前畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境狀況不容樂(lè)觀。2022年2月發(fā)布的污染源普查報(bào)告資料，分類總結(jié)了農(nóng)村生活源、工業(yè)生產(chǎn)源及其他重要污水排放來(lái)源，畜禽養(yǎng)殖業(yè)COD、氨氮排放總量分別達(dá)到1 268.26萬(wàn)t、71.73萬(wàn)t，在農(nóng)業(yè)COD、氨氮排放中分別達(dá)到95.95萬(wàn)t、78.73萬(wàn)t。

2 畜禽養(yǎng)殖廢水的特點(diǎn)

養(yǎng)殖廢水大多是家畜尿液、沖洗廢水、生活污泥等，其中沖洗水占有很大比重。污泥中含有大量糞便及生活雜質(zhì)，腥臭味大、攜帶病原細(xì)菌多，給水處理系統(tǒng)帶來(lái)極大負(fù)荷。污水中有機(jī)污染物、氨氮污染物及懸浮物的含量都很高，污水中的有機(jī)氮經(jīng)過(guò)厭氧處理以后，以氨氮濃度較大的形式存在，進(jìn)而加大了管理難度。筆者在對(duì)某仔豬養(yǎng)殖戶進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，其廢水COD值可達(dá)20 g/L，氨氮值可達(dá)1.5 g/L，廢水污染物對(duì)周邊水生態(tài)環(huán)境威脅非常大。

3 畜禽養(yǎng)殖廢水的危害

畜禽養(yǎng)殖廢水?dāng)?shù)量巨大，并且含有大量污染物質(zhì)如COD、氨氮、殘留的獸藥以及大量的病菌等，如果不進(jìn)行適當(dāng)處理而直接外排，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，主要影響包括以下方面。

3.1 對(duì)水體的危害

畜禽養(yǎng)殖廢水主要是指含有病原體的高濃度有機(jī)廢水，當(dāng)污染物進(jìn)入水體中，有機(jī)質(zhì)的水解會(huì)大幅減少水體的溶解性氧，進(jìn)而導(dǎo)致水體發(fā)臭，并導(dǎo)致水中生物的大批死亡，同時(shí)氮、磷都會(huì)使水體環(huán)境更加富營(yíng)養(yǎng)化。

3.2 對(duì)大氣環(huán)境的影響

畜禽養(yǎng)殖廢水在厭氧條件下產(chǎn)生巨量惡臭氣體如NH3、H2S等，這類惡臭氣體會(huì)給養(yǎng)殖人員及附近居民身心健康造成不良影響。

3.3 對(duì)農(nóng)田及農(nóng)作物的危害

畜禽養(yǎng)殖廢水處理后的污泥中含有大量的N、P、K等化學(xué)物質(zhì)，如果不采取任何治理措施而是直接、連續(xù)、過(guò)量地利用這些物質(zhì)，會(huì)對(duì)土地及莊稼生長(zhǎng)造成不利影響，例如造成糧食作物延遲成熟甚至減產(chǎn)，將直接影響農(nóng)作物產(chǎn)量。

4 畜禽養(yǎng)殖廢水處理工藝

畜禽養(yǎng)殖廢水處理根據(jù)處理方法及原理的差異，通常有物理化學(xué)處理與生態(tài)處理兩種方法及二者互相融合進(jìn)行處理。

物理化學(xué)處理，即使用物理或化學(xué)等技術(shù)手段處置養(yǎng)殖生產(chǎn)廢水，常用技術(shù)手段包括篩選、吸收、離心、絮凝沉降、電化學(xué)氧化等，以降低對(duì)其后續(xù)生物處理產(chǎn)生的副作用。該方法經(jīng)過(guò)預(yù)處理或末端深度處理后，其處理效益通常頗為顯著。

邱敬賢等采用混凝沉降工藝對(duì)養(yǎng)殖污水進(jìn)行預(yù)處理，SS去除率達(dá)1∶1，顯著降低SS及膠態(tài)物質(zhì)在后期處理效率中的破壞作用[1]。該研究表明：通過(guò)生物、物理和生化聯(lián)合處理技術(shù)能夠有效降低廢水中COD含量，提高出水水質(zhì)，從而使后續(xù)處理工藝得以簡(jiǎn)化。因此在實(shí)際工程中具有良好的推廣價(jià)值，可有效減輕后期生化工序的運(yùn)行負(fù)擔(dān)。

要達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，必須對(duì)家畜養(yǎng)殖廢水進(jìn)行生化處置。根據(jù)該類廢水生物學(xué)性能較高的特性，研究者常選擇生態(tài)法進(jìn)行高強(qiáng)度凈化處理，生態(tài)法是指運(yùn)用微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行溶解、轉(zhuǎn)換及消化的功能，以及進(jìn)行水質(zhì)凈化的過(guò)程。

4.1 UASB工藝

UASB過(guò)程是厭氧過(guò)程中運(yùn)用比較廣泛的反應(yīng)器類型，這是因?yàn)閰捬踹^(guò)程中產(chǎn)生的沼氣升高后會(huì)有內(nèi)部環(huán)流，利用三相分離器能夠?qū)ξ廴疚锖蛷U氣進(jìn)行分離，使水體凈化效果更好。污水停留時(shí)間和容積負(fù)荷率對(duì)UASB處理效果均有影響，采用UASB工藝處理的家畜養(yǎng)殖廢水，如常雅軍[2]在進(jìn)水COD7 000～12 000 mg/L和最大體積負(fù)荷8.1 kg/（m3·d）條件下，COD去除率達(dá)到80%多；聞韻與企業(yè)采用UASB工藝處理養(yǎng)殖污水，COD的最大容積負(fù)荷為8.33 kg/（m3·d），進(jìn)水中COD為8 083 mg/L，出水中COD為1 057 mg/L，去除率接近90%。因此UASB技術(shù)在畜牧業(yè)污水處理中有廣闊的應(yīng)用前景，但UASB反應(yīng)過(guò)程也存在一定局限性，如溫度過(guò)高導(dǎo)致微生物大量死亡，曝氣強(qiáng)度過(guò)大造成系統(tǒng)水力條件惡化等等。UASB工藝COD去除效率及產(chǎn)氣特性與其回流比、酸堿度、水溫和容積負(fù)荷有關(guān)。

常規(guī)UASB工藝首次起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，顆粒污泥利用存在缺陷，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同運(yùn)行工況下的反應(yīng)器內(nèi)部溫度和濃度分布規(guī)律，以及反沖洗周期對(duì)反應(yīng)器內(nèi)微生物生長(zhǎng)狀況的影響，對(duì)反應(yīng)裝置進(jìn)行合理的改進(jìn)，可以達(dá)到快速起動(dòng)的目的，提高凈化效率，UASB的除磷效果可達(dá)82%甚至更高。

4.2 ABR工藝

ABR工藝具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力，能適應(yīng)多種濃度的污水處理。ABR由上下折流板分隔，使區(qū)間的水都以混合推流的形式存在，在一個(gè)反應(yīng)器中完成多相處理，處理效率和安全性得到了明顯提高。但該技術(shù)也存在一些問(wèn)題，如水力停留時(shí)間短、出水水質(zhì)不穩(wěn)定以及污泥膨脹等問(wèn)題，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善。黃明華等將ABR技術(shù)與氧化塘組合用于污水處理，取得良好效果；許美蘭[3]等以ABR工藝預(yù)處理養(yǎng)殖廢水，可去除所有污水的COD；陳晴用ABR方法預(yù)處理養(yǎng)殖廢水，COD去除率達(dá)10%，氨氮去除率達(dá)18%，趙麗[4]等人采用ABR工藝處理模擬養(yǎng)殖廢水，當(dāng)COD負(fù)荷為5.7 kg/（m3·d）時(shí)，COD去除率滿足要求；聞韻等以紅泥塑料覆頂處理畜禽養(yǎng)殖廢水[5]，當(dāng)進(jìn)水COD在9 000～10 000 mg/L范圍內(nèi)，去除率幾乎穩(wěn)定在9%～10%。ABR工藝與常規(guī)厭氧工藝相比，水力停留時(shí)間短，減少厭氧反應(yīng)器開(kāi)始運(yùn)行時(shí)間是ABR工藝應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，此過(guò)程需要將顆粒污泥接種到更低的有機(jī)負(fù)荷，有效縮短開(kāi)始時(shí)間，可使COD去除率達(dá)1/2以上。

4.3 EGSB工藝

EGSB工藝經(jīng)過(guò)充分?jǐn)U展，能夠強(qiáng)化廢氣中有機(jī)質(zhì)與細(xì)菌的接觸，繼而提高傳質(zhì)效果并加速反應(yīng)速度，提高處理過(guò)程效率，能夠應(yīng)用于溫度較低、毒性較大以及含有硫酸鹽，且難降解廢水的治理。劉振杰[6]采用EGSB技術(shù)對(duì)高濃度有機(jī)廢水進(jìn)行處理試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：該技術(shù)能有效處理低濃度有機(jī)廢水，并具有良好的穩(wěn)定性，同時(shí)還具有較高的脫色率；許光宇[7]采用EGSB技術(shù)對(duì)奶牛養(yǎng)殖廢水進(jìn)行預(yù)處理，COD去除率在35 d內(nèi)達(dá)到平均去除率80%，最佳條件下COD去除率可達(dá)85.3%；朱明等[6]采用EGSB工藝處理豬糞廢水，COD負(fù)荷設(shè)計(jì)為1.8 kg/（m3·d），進(jìn)水COD為1 200～1 300 mg/L，水力停留時(shí)間為0.7 d時(shí)，COD去除率達(dá)到80%。綜合分析，EGSB工藝可保證工藝的高效性和穩(wěn)定性，同時(shí)具有一定能源回收利用價(jià)值。

4.4 MBR工藝

MBR工藝作為一種新型污水處理工藝，具有泥水分離，污泥濃縮等特點(diǎn)，由于其占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定可靠而得到廣泛應(yīng)用，其中以MBR為核心的一體化組合技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛。這一過(guò)程的關(guān)鍵設(shè)備是高效膜分離系統(tǒng)，高效膜分離作用替代二沉池，截留微生物，同時(shí)使得生物種群豐富，生化處理效率高。膜污染問(wèn)題是影響其使用效果和使用壽命的重要因素，目前主要采用化學(xué)方法去除，但這些方法存在一定弊端，如易造成二次污染等，因此出現(xiàn)了許多新技術(shù)以提高污水處理工藝效率。龍用波[8]采用MBR工藝處理養(yǎng)殖廢水之后，COD、氨氮去除率分別達(dá)到近水平和高水平，膜組件對(duì)SS的有效攔截可以徹底去除SS，滿足相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)。

水力能夠長(zhǎng)久留存、溶解氧含量的多少和膜組件的組合方式對(duì)工藝處理的效果影響較大。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了提高厭氧氨氧化膜污水處理能力的措施，如增加曝氣量、增大回流比、采用機(jī)械攪拌以及合理優(yōu)化操作條件等。許美蘭等人在厭氧膜生物反應(yīng)器AnR MBR中引入了能夠增強(qiáng)膜表面剪切力、治理膜污染的可旋轉(zhuǎn)膜組件，當(dāng)COD體積負(fù)荷設(shè)計(jì)在5.68 kg/（m3·d）時(shí)，COD去除率可達(dá)94.0%，除污效果及產(chǎn)氣性能良好。

4.5 A/O工藝

A/O工藝將反硝化階段，安排在以原水中有機(jī)質(zhì)為主要碳源的好氧工藝階段進(jìn)行，因此稱之為前置反硝化工序。A/O反應(yīng)池內(nèi)的氨氮主要通過(guò)微生物的同化作用，以及硝化菌和反硝化菌的作用而被脫除。當(dāng)進(jìn)水總氮量達(dá)到一定水平后，可采用厭氧氨氧化法或好氧氨氧化法脫氮。A/O方式在穩(wěn)定脫氮的同時(shí)，由于硝化段的有機(jī)負(fù)荷較小，而且COD、BOD去除率高，殘留廢水量低，將若干A/O池進(jìn)行串聯(lián)可解決復(fù)雜水質(zhì)治理難題，但同時(shí)A/O系統(tǒng)中存在著污泥膨脹和出水有機(jī)物含量高等缺陷。因此，如何提高A/O系統(tǒng)的脫氮除磷率成為研究熱點(diǎn)之一。李辰等[9]采用2個(gè)A/O池結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廢水無(wú)害化處理，該工藝抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、碳源利用率高、運(yùn)行費(fèi)用低、脫氮除磷效果好。有關(guān)研究者用改良式兩級(jí)A/O工藝處理養(yǎng)殖場(chǎng)沼渣，試驗(yàn)結(jié)果表明：厭氧發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生大量沼氣，在好氧條件下經(jīng)過(guò)一級(jí)反應(yīng)可去除大部分有機(jī)物，而二級(jí)反應(yīng)中厭氧氨氧化菌與兼性好氧菌之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，導(dǎo)致出水水質(zhì)差。對(duì)于總氮濃度高、經(jīng)厭氧硝化后，碳氮比較低的廢水，通過(guò)兩級(jí)A/O工藝加強(qiáng)固液分離、投加原水補(bǔ)充碳源等措施可有效增強(qiáng)脫氮效果。

5 畜禽養(yǎng)殖業(yè)廢水的處理措施

在養(yǎng)殖廢水綜合處理之前，大量的糞污等固體廢物的處理也是至關(guān)重要的，其涉及后端廢水的總產(chǎn)生量和廢水綜合濃度。固體糞污水處理工藝流程技術(shù)多種多樣，其中以生態(tài)處理工藝技術(shù)比較普遍，但是因?yàn)楦鱾€(gè)工藝流程的生產(chǎn)成本、處理過(guò)程穩(wěn)定性和處理出水水質(zhì)都有所不同，因此這些工藝流程的處理效果并不理想，且整體工程成本較高。相比于傳統(tǒng)的畜禽養(yǎng)殖廢水處理工藝，雖然在廢物的無(wú)害化處置中產(chǎn)生了較好的效益，但與此同時(shí)，由于對(duì)廢物就地資源化利用考慮不足，容易造成資源浪費(fèi)?？梢钥紤]對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)選出費(fèi)用更低、處理效果更好的組合工藝流程。

由于畜禽養(yǎng)殖廢水存在廢水總量大、懸浮物濃度高且可生化性較好的特性，廢水處理工藝流程也隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)政策的變化而做出了屢次優(yōu)化改進(jìn)。總的來(lái)說(shuō)，其工藝流程分為兩個(gè)方面：預(yù)處理與后期處理，其中的后期處理又經(jīng)過(guò)了直接還田利用、生物處理到綜合利用的變遷。

5.1 廢水預(yù)處理

畜禽養(yǎng)殖廢水中含有大量的動(dòng)物排泄液和養(yǎng)殖渣，導(dǎo)致廢水的懸浮物濃度相對(duì)較高，懸浮物含量和生化需氧量等化學(xué)污染物，相互之間存在著密切的聯(lián)系。由于畜禽養(yǎng)殖廢水中的懸浮液主要以動(dòng)物排泄物和未充分利用的飼料居多，若不加以預(yù)處理，會(huì)影響到后期的處理效果，只有對(duì)其中的自然流體和固液混合物分別進(jìn)行預(yù)處理，才能將污染物內(nèi)部的自然流體分開(kāi)，總體降低廢水污染物負(fù)荷。常規(guī)的預(yù)處理方法，一般是采用固液分離的沼氣池技術(shù)，將垃圾中的固體物等不易分解的物質(zhì)盡可能去掉，從而實(shí)現(xiàn)沼氣利用。

基于現(xiàn)代廢水處理技術(shù)考慮，可以使用固液分離系統(tǒng)中主要使用的多級(jí)豎流式沉降罐，將固液混合物中分離產(chǎn)生的固體物與沼渣一起利用堆肥的方法，進(jìn)一步處理與資源化利用。通過(guò)多級(jí)沉淀工藝完成固液混合物的分離預(yù)處理，不僅可以高效去除污水中不溶性的固體物，同時(shí)還能將其中的氮、磷物質(zhì)去除40%左右，從而降低后續(xù)的生化處理負(fù)荷。在沼氣池厭氧狀態(tài)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中、在產(chǎn)酸流程中，厭氧顆粒污泥在厭氧細(xì)菌反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生吸附和分解效應(yīng)，損壞了菌體細(xì)胞膜的組織，直接殺滅了糞便大腸菌、蛔蟲(chóng)卵等生物，進(jìn)而在沼氣池裝置出水面，糞便大腸菌群數(shù)量和蛔蟲(chóng)卵量就達(dá)到了國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 后續(xù)處理

5.2.1 還田處理

還田處置無(wú)疑是畜禽養(yǎng)殖廢水處理技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)的方法，由于畜禽養(yǎng)殖廢水中，動(dòng)物排泄的糞便和尿較多，合理使用能夠有效提高田間土壤的生物營(yíng)養(yǎng)，從而形成完善的生態(tài)系統(tǒng)閉環(huán)。與此同時(shí)，對(duì)這些廢物的合理利用還能降低對(duì)外界生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重影響，進(jìn)而使農(nóng)村環(huán)境資源獲得最佳利用并保持生態(tài)平衡，有利于提高農(nóng)產(chǎn)品和牲畜的有序循環(huán)，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)也起到重要作用。

隨著養(yǎng)殖集約化水平越來(lái)越高，還田將面臨許多負(fù)面因素的影響和限制。養(yǎng)殖污水的回田使用，不但需要在農(nóng)灌季節(jié)或施肥期的有效控制，還必須同時(shí)滿足雨季與非施肥季的貯存使用。由于牲畜養(yǎng)殖廢水中的天然有機(jī)質(zhì)分解速度緩慢，所以必須進(jìn)行更大規(guī)模的土地再利用處理和輪流使用，才能實(shí)現(xiàn)廢水資源化的充分利用。

5.2.2 生化處理

為了減少畜禽養(yǎng)殖工業(yè)廢水環(huán)境污染問(wèn)題，中國(guó)不少地區(qū)已逐漸轉(zhuǎn)向借鑒工業(yè)廢水的處理方式，對(duì)畜禽養(yǎng)殖工業(yè)廢水實(shí)施多程生物處置。據(jù)各地實(shí)踐情況統(tǒng)計(jì)，工藝路線上基本是厭氧+好氧，同時(shí)兼顧了對(duì)氮、磷的去除，并輔助添加了生態(tài)濾池以及人工濕地等工藝。畜禽養(yǎng)殖廢水的可生化性較強(qiáng)，經(jīng)生物處理后能達(dá)到農(nóng)田灌溉標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于不符合魚(yú)塘和農(nóng)灌使用的廢水，必須進(jìn)行深度處理。在深度處理的過(guò)程中，需要綜合考慮技術(shù)成本，因此生化處理比較適合資金雄厚的大企業(yè)采用，在處理過(guò)程中也可以滿足有關(guān)環(huán)境政策的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，畜禽養(yǎng)殖廢水處理不只是養(yǎng)殖業(yè)的環(huán)境保護(hù)難題，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵性問(wèn)題。隨著信息化技術(shù)的普及，多范圍、多領(lǐng)域協(xié)同發(fā)展成為破解這些難題的重要途徑。本文倡議政府實(shí)現(xiàn)各單位聯(lián)動(dòng)，以土地綜合利用為主線，在養(yǎng)殖業(yè)廢棄物資源化利用和種植業(yè)肥料生產(chǎn)制造之間搭建暢通的供需信息渠道，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)以種定養(yǎng)、以種定肥，根據(jù)不同的種植業(yè)發(fā)展、肥料需要反向規(guī)劃養(yǎng)殖廢水資源化體量和類型，爭(zhēng)取最大限度地將養(yǎng)殖廢水和糞污進(jìn)行資源化利用，消除其危害，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。